EP2039492A1

EP2039492A1 - Komponentenmischmaschine

Info

Publication number: EP2039492A1
Application number: EP08105402A
Authority: EP
Inventors: Olaf Skibba
Original assignee: VMI AZ Extrusion GmbH
Current assignee: VMI AZ Extrusion GmbH
Priority date: 2007-09-24
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2009-03-25
Anticipated expiration: 2028-09-22
Also published as: DE102007045533A1; EP2039492B1; JP2009073194A; US20090080282A1; KR20090031649A

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fördervorrichtung, mit einem Extruder (12), der als Mischvorrichtung arbeitet, und dem Komponenten, die zu mischen sind, insbesondere Komponenten einer Kautschukmischung, seitlich zuführbar sind, wobei ausgangsseitig des Extruders (12) ein volumetrisch arbeitender Förderer (14), insbesondere eine Zahnradpumpe, angeschlossen ist, und wobei die zugeführten Komponenten volumetrische Tochterförderer durchtreten, die insbesondere ebenfalls als Zahnradpumpen ausgebildet sind und deren Drehzahl oder Förderrate unabhängig von der Förderrate den volumetrisch arbeitenden Förderers (14) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung von n Komponenten der Mischung n-1 volumetrische Tochterförderer eingesetzt sind und insbesondere die Komponente n undosiert zugeführt wird, und dass die Förderrate des Extruders (12) unabhängig von der Förderrate und dem Volumenstrom des volumetrisch arbeitenden Förderers (14) einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Extrusions-Fördervorrichtung, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Derartige Fördervorrichtungen werden eingesetzt, um eine zu extrudierende Mischung aus einer Mehrzahl von Komponenten zu erzeugen. Es ist bekannt, dass die Mischung von Komponenten, die eine zu extrudierende Masse ergeben sollen, in unterschiedlicher Mischqualität erfolgt, wobei bestimmte Komponenten dazu neigen, sich mit einer guten Gleichmäßigkeit zu vermischen, während andere schlecht mischbar sind.
Um den derartigen Mischproblemen, die auch mit entsprechenden Dosiererfordernissen einhergehen, Rechnung zu tragen, sind zahlreiche unterschiedliche Konstruktionen bekannt geworden. Beispielsweise ist es vorgeschlagen worden, schlecht mischbare Komponenten vorzumischen. Ferner ist es auch vorgeschlagen worden, für jede zu mischende Komponente eine separate Fördervorrichtung, die aus einer Extruderschnecke und einer hieran angeschlossenen volumetrischen Fördervorrichtung besteht, vorzusehen. Diese Lösung hat den Vorteil, dass eine recht genaue Dosierung erzielbar ist, nachdem die Abgabe der Komponente zu der eigentlichen Mischvorrichtung hin dann genau dosiert erfolgen kann.
Eine derartige Lösung bedingt andererseits eine Vielzahl von Extruderschnecken und volumetrischen Förderern, die meist als Zahnradpumpen ausgebildet sind. Derartige Lösungen sind insofern meist vergleichweise teuer und auch wartungsaufwändig, denn jeder Tochterförderer muss separat gewartet werden.
Eine Lösung, bei der eine oder mehrere Komponenten über einen Hauptförderer oder eine oder mehrere Tochterförderer zuführbar sind, ist aus der DE 10 2005 050 619 A1 ersichtlich. Bei dieser Lösung sind insgesamt drei volumetrische Förderer für die Bereitstellung einer Mischung aus zwei Komponenten erforderlich.
Trotz des erforderlichen Aufwandes ist bei einer derartigen Lösung die Mischqualität gerade bei Mischungen, von denen wenigstens zwei Komponenten schlecht miteinander mischbar sind, noch verbesserungsfähig.
Zur Verbesserung der Mischqualität ist es an sich bereits bekannt geworden, sogenannte Transfermixbereiche vorzusehen, oder beispielsweise Stiftextruderbereiche, wozu beispielsweise auf die DE-A1 10 2005 048 846.3 zu verweisen ist. In einem Transfermixbereich wird im Verlaufe der Extruderschnecke der Durchtrittsquerschnitt für das zu extrudierende Gut radial nach außen in den Bereich des Extrudergehäuses hinein verlagert, und anschließend hieran radial nach innen zur Extruderschnecke hin.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Aufwand für die Bereitstellung einer Mehrkomponenten-Extrusions-Fördervorrichtung gemäß dem oberbegriff von Anspruch 1 möglichst gering zu halten, aber dennoch ein besonders gutes Mischergebnis gerade auch bei Komponenten mit schlechtem Mischverhalten zu gewährleisten.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, den Ausgangs-Volumenstrom für die Berechnung der einzelnen Volumenströme von Tochterförderern als Basis zu verwenden. Der Ausgangs-Volumenstrom V_ges ergibt sich zu $V_{ges} = V_{1} + V_{2} + \dots + V_{n - 1} + V_{n}$
Dementsprechend ergibt sich für einen Volumenstrom V_n der Komponente n: $V_{n} = V_{ges} - (V_{1} + V_{2} + \dots + V_{n - 1})$
Erfindungsgemäß besonders günstig ist es, dass durch die unabhängige Einstellung der Drehzahl oder Förderrate des Extruders von der Förderrate des volumetrisch arbeitenden Förderers die Mischqualität gleichbleibend hoch realisierbar ist.
Überraschend lässt sich insofern mit dieser Maßnahme auch den Problemen begegnen, die entstehen, wenn miteinander schlecht mischbare Komponenten gemischt werden müssen; durch eine deutliche Erhöhung der Förderrate des Extruders gegenüber der Förderrate des volumetrisch arbeitenden Förderers wird dann doch eine gute Mischung erzielt. Die Förderraten können beispielsweise so eingestellt sein, dass der Ausgangsdruck des Extruders um ein Mehrfaches höher als der Nenn-Eingangsdruck des volumetrisch arbeitenden Förderers ist. Auch wenn nähere Untersuchungen noch vorgenommen werden müssten, wird vermutet, dass durch die Druckunterschiede sich im Übergangsbereich eine intensive Hochdruck-Nachvermischung einstellt, die durch die gewählte Anordnung gerade bei problematischen Mischungen doch die gewünschte Mischwirkung sicherstellt.
Es versteht sich, dass bei weniger problematischen Mischkomponenten die Förderrate des Extruders auf einen üblichen Wert reduziert werden kann, um insofern nicht überflüssig Energie zu verbrauchen.
Die unabhängige Einstellung bedingt, dass die Förderwirkung der einzelnen Tochterförderer entsprechend eingestellt werden muss. Dies ist vergleichweise aufwändig, gerade, wenn eine Vielzahl von Tochterförderern für eine hohe Zahl n von Komponenten vorgesehen ist. Andererseits ist die Einstellung der Tochterförderer in Anpassung an die Extruder-Förderrate erforderlich, um die Mischungsverhältnisse genau beizubehalten. Überraschend lässt sich das Mischungsverhältnis auch beibehalten, wenn lediglich n-1 volumetrische Tochterförderer eingesetzt sind. Die Komponente n lässt sich dann beispielsweise in Form von Fütterstreifen oder Granulat zuführen, wobei die Zuführvorrichtung in beliebiger geeigneter Weise gestaltet sein kann. Überraschend ergibt sich dennoch bei entsprechender Berechnung der erforderlichen Einzelförderraten das gewünschte Mischungsverhältnis, und zwar auch dann, wenn die Drehzahl des Extruders erhöht wird.
Erfindungsgemäß besonders günstig ist es, dass in jedem Fall endseitig des Extruders ein volumetrisch arbeitender Förderer vorgesehen ist. Die Gesamtförderrate ist damit exakt definiert, wobei durch die genaue Steuerung dieses volumetrischen Förderers auch Förderschwankungen aufgrund der Elastizität des Systems kompensiert werden.
Erfindungsgemäß ist es vorteilhaft, wenn die Komponente n undosiert zugeführt wird. Zwar ist eine dosierte Zuführung nicht ausgeschlossen, aber wenn beispielsweise Fütterstreifen oder Granulat zugegeben werden, kann hierdurch erfindungsgemäß auch die Systemelastiziät ausgeglichen werden, und unzuträglich hohe Drücke eingangsseitig des Extruders, die aufgrund hoher Temperaturen auch zu Materialschädigungen führen können, lassen sich so leichter vermeiden. Typischerweise werden hier Komponenten zugeführt, deren Zufuhr weniger kritisch ist, und die für die späteren Materialeigenschaften in ihrem Mischungsverhältniss von vergleichweise geringer Bedeutung sind.
In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn die Komponente n eingangsseitig des Extruders zugeführt wird. Damit ist auch sichergestellt, dass auch bereits im Bereich der Zuführstelle des ersten Tochterförderers, die vergleichsweise unkritische Komponente n bereits in der Extruderschnecke vorliegt, so dass sich auch dort eine Mischung einstellt.
Es ist bevorzugt, die Komponente 1, also die über den ersten Tochterförderer zugeführte Komponente, so auszuwählen, dass diese diejenige ist, die am schwierigsten zu mischen ist. Hierdurch ist sichergestellt, dass über den Verlauf des Extruders die Mischung besonders gut ist. Dementsprechend wird die Komponente n-1 deutlich weiter stromab zugeführt, wobei es bevorzugt ist, als Komponente n-1 diejenige Komponente zu verwenden, deren Vermischung am einfachsten ist.
Über die Verwendung von Mehrschneckenextrudern lassen sich auch die Zuführmöglichkeiten deutlich erweitern und eine noch bessere Anpassung an die zu vermischenden Komponenten realisieren.
Die Erfindung ist auch für die Verwendung von thermoplastischen Elastomeren gut geeignet. Für die Vernetzung kann eine vergleichsweise lange Extruderschnecke eingesetzt werden. Die Kautschukkomponente kann in einem Verhältnis von beispielsweise 20 bis 40%, bezogen auf die gesamte Mischung, separat aufbereitet werden, wobei beispielsweise Füllmaterialien über die Tochterförderer zugeführt werden können. Die Aufteilung Elastomer/Thermoplast über zwei getrennte Extruderschnecken bietet auch den Vorteil, dass gegenseitige Materialschädigungen soweit wie möglich vermieden können, so dass auch Peroxide anstatt von Phenolharzen eingesetzt werden können, wodurch die Vernetzung verbessert werden kann.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist stromab des volumetrischen Förderers ein Strainer-Sieb vorgesehen. Dieses Strainer-Sieb ist bevorzugt austauschbar und in einem Bereich vergrößerten Strömungsquerschnitts realisiert, in an sich bekannter Weise natürlich stromauf der Extrusionsdüse. Die Qualität lässt sich hiermit noch weiter verbessern, wobei es sich versteht, dass beliebige andere Filter dort ebenfalls vorgesehen sein können. Der Bereich der Strömungsaufweitung mit dem vergrößerten Förderquerschnitt wirkt zudem als eine Art Puffer und als Materialberuhigungszone.
Eine beliebige Auswahl und Voraufbereitung der zu mischenden Komponenten ist möglich. Beispielsweise kann eine Grundmischung und ein pre-batch und gegebenenfalls weitere Komponenten zusammengeführt werden, wobei interne oder externe Mischvorrichtungen zusätzlich eingesetzt werden können.
Als volumetrische Förderer kommen klassische Zahnradförderer mit zwei miteinander kämmenden Zahnrädern in Betracht, aber auch Planetenpumpen oder auch beliebige andere volumetrische Fördervorrichtungen.
Weitere Vorteile, Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Extrusions-Fördervorrichtung in einem erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnung.
Die einzige Figur der Zeichnung zeigt eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen Extrusions-Fördervorrichtung.
Die in der Figur dargestellte Extrusions-Fördervorrichtung 10 weist einen Extruder 12 auf, der das zentrale Element der Extrusion-Fördervorrichtung bildet. Der Extruder ist für die Extrusion und Förderung von extrudierbaren Mischungen bestimmt, zu denen Käutschukmischungen und beispielsweise TPEs gehören. Er ist dafür bestimmt, einen Volumenstrom abzugeben, der hier als V_ges bezeichnet ist. Hierzu ist ausgangsseitig des Exruders 12 ein volumetrischer Förderer 14 vorgesehen, der als Zahnradpumpe ausgebildet ist. Der Antrieb der Zahnradpumpe 14 ist unabhängig vom Antrieb des Extruders 12.
Ausgangsseitig des Extruders 12 ist ferner ein Drucksensor 16 vorgesehen, der den dort vorhandenen Druck misst und die Antriebsgeschwindigkeit des Extruders 12 entsprechend anpasst.
Seitlich des Exruders 12 sind verschiedene Zuführstellen vorgesehen. An einer ersten Zuführstelle 18 ist eine Zuführvorrichtung 20 angebracht, über welche bestimmte Komponenten oder eine bestimmte Komponente der zu extrudierenden Mischung zugeführt wird. Die Komponente n wird dort mit einem Volumenstrom V_n zugeführt, wobei durch die seitliche Zuführung in an sich bekannter Weise bereits eine Vormischung über die Extruderschnecke des Extrudere realisiert ist.
Stromab der Zuführstelle 18 sind zahlreiche weitere Zuführstellen 22, 24, 26 vorgesehen, an die Tochterförderer 28, 30, 32 angeschlossen sind, die Komponenten 1, 2 bis n-1 dem Extruder 12 zuführen. Die Zufuhr erfolgt je in einem vorgegebenen Volumenstrom, der je als V₁, V₂ bis V_n-1 bezeichnet ist.
Aus dem Verhältnis dieser Tochter-Volumenströme, deren Verhältnis entsprechend dem erwünschten Mischungsverhältnis eingestellt ist, ergibt sich das Zuführvolumen der Zuführvorrichtung 20 V_n zu V_n = V_ges - (V₁ + V₂ + ... + V_n-1).
Je nach den zu vermischenden Komponenten ist die Drehgeschwindigkeit des Extruders 12 höher oder niedriger einstellbar und zwar erfindungsgemäß unabhängig von der Fördergeschwindigkeit der Fördervorrichtung 14. Die minimale Geschwindigkeit entspricht der Fördermenge, die für das Befüllen der volumetrischen Fördervorrichtung 14 stets erforderlich ist. Dieser Fördergeschwindigkeit entspricht ein Druck p_{ges, min}. Der Ausgangsdruck, der an dem Drucksensor 16 gemessen wird und der durch die Drehgeschwindigkeit des Extruders 12 einstellbar ist, kann jedoch auch wesentlich höher gewählt werden, beispielsweise auf das 2-, 3- oder gar 4-fache dieses Drucks ansteigen. Hierdurch lässt sich erfindungsgemäß eine besonders günstige Durchmischung erzielen, wenn dies von den zu mischenden Materialien her angezeigt ist.
Es versteht sich, dass beliebige Modifikationen möglich sind, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen. So können über weitere Drucksensoren Arbeitsdrücke gemessen und gegebenenfalls angepasst werden. Ferner können in dem Bereich zwischen der Zuführstelle 26 und dem Drucksensor 16 beliebige Sondermischelemente eingesetzt werden, so beispielsweise ein Transfermixbereich oder ein Stiftextruderbereich. Auch kann die Temperierung des Extruders 12 in weiten Bereichen an die Erfordernisse angepasst werden. Beispielsweise kann es sinnvoll sein, bei einer sehr hohen Enddruckauslegung des Extruders 12 von beispielsweise 250 bar ausgangsseitig eine besonders intensive Kühlung im Gegenstromprinzip zu realisieren.
Für die Bestimmung des Volumenstroms V_ges wird zweckmäßigerweise eine Gewichtsmessung stromab des Förderers 14 vorgenommen, beispielsweise mit einer Metergewichtswaage.

Claims

Extrusions-Fördervorrichtung, mit einem Extruder, der als Mischvorrichtung arbeitet, und dem Komponenten, die zu mischen sind, insbesondere Komponenten einer Kautschukmischung oder TPE, seitlich zuführbar sind, wobei ausgangsseitig des Extruders ein volumetrisch arbeitender Förderer, insbesondere eine Zahnradpumpe, angeschlossen ist, und wobei die zugeführten Komponenten volumetrische Tochterförderer durchtreten, die insbesondere ebenfalls als Zahnradpumpen ausgebildet sind und deren. Drehzahl oder Förderrate unabhängig von der Förderrate des volumetrisch arbeitenden Förderers (14) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bereitstellung von n Komponenten der Mischung n-1 volumetrische Tochterförderer eingesetzt sind und insbesondere die Komponente n undosiert zugeführt wird, und dass die Drehzahl des Extruders (12) unabhängig von der Förderrate und dem Volumenstrom des volumetrisch arbeitenden Förderers (14) einstellbar ist.
Extrusions-Fördervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Zuführvorrichtung (20) für die Komponente n als Trichter ausgebildet ist und die Komponente n in Form von Fütterstreifen oder Granulat vorliegt,
Extrusions-Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zuführvorrichtung (20) für die Komponente n stromauf der Zuführstellen (18) der Komponenten 1 bis n-1 angeordnet ist.
Extrusions-Fördervorrichtung nach einem den vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Drucksensor (16) ausgangsseitig des Extruders (12) vorgesehen ist, der an eine Steuervorrichtung angeschlossen ist, die die Drehzahl des Extruders (12) regelt.
Extrusions-Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mit mindestens einem Drucksensor (16) die Förderrate des Extruders (12) so geregelt ist, dass sie stets größer als der für das vollständige Befüllen des volumetrisch arbeitenden Förderers (14) erforderliche Druck p_ges,min ist_.
Extrusions-Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Förderrate des Extruders (12) so gewählt ist, dass sein Ausgangsdruck um mindestens 10% größer als ein Druck p_ges,min, der dem für das vollständige Befüllen des volumetrische Förderers (14) erforderlichen minimalen Druck entspricht, ist insbesondere mehr als 20 bis 30% größer als dieser.
Extrusions-Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichet, dass der Extruder (12) dem volumetrischen Förderer (14) die Mischung mit einem Ausgangsdruck zuführt, der ein Mehrfaches ober dem Nenn-Eingangsdruck des volumetrisch arbeitenden Förderers (14) liegt, insbesondere um das 2 fache bis 6fache.
Extrusions-Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgangsdruck des Extruders (12) auf mehr als 100 bar erhöht ist, insbesondere auf 150 - 250 bar und deutlich größer als der Nenn-Eingangsdruck des volumetrisch arbeitenden Förderers (14) ist.
Extrusions-Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der volumetrisch arbeitende Förderer (14) einen Nenn-Eingangsdruck von 20 bis 60 bar und insbesondere 40 bar aufweist.
Extrusions-Fördervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der volumetrisch arbeitende. Förderer (14) als Planetenpumpe ausgebildet ist und einen Nenn-Eingangsdruck zwischen 60 und 100 bar und insbesondere etwa 80 bar aufweist.
Extrusions-Fördervorricntung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Extruder (12) ein Schneckenextruder ist.
Extrussions-Fördervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Extruder (12) ein Mehrschneckenextruder ist und mehrere Tochterförderer über die Schnecken insbesondere gleichmäßig verteilt sind.
Extrusions-Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Extruder (12) mindestens einen Drosselbereich aufweist, der ein Strömungshinderniss bildet, wobei mindestens ein Drosselbereich stromab der Zuführstelle (18) des letzten Tochterförderers angeordnet ist.
Extrusions-Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Extruder (12) mindestens einen Mischbereich aufweist, der stromab der Zuführstelle (18) des letzten Tochterförderers ausgebildet ist und als Transfermixbereich und/oder als Stiftextruderbereich ausgebildet ist.
Extrusions-Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der volumetrisch arbeitende Förderer (14) als Zahnradpumpe, insbesondere als Planetenpumpe , ausgebildet ist.
Extrusions-Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Tochterförderer eine Zahnradpumpe, insbesondere eine Planetenpumpe aufweist.
Extrusions-Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass stromauf mindestens eines Tochterförderers ein Tochterextruder angeordnet ist.
Extrusions-Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem volumetrischen Förderer (14) ein Strainer-Sieb nachgeschaltet ist, das insbesondere austauschbar ist, und dass in einem Bereich vergrößerten Strömungsquerschnitts zwischen dem volumetrischen Förderer (14) und einer Extrusionsdüse angeordnet ist.
Extrusions-Fordervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die n Komponenten aus einer Grundmischung und einem pre-batch bestehen und dass der pre-batch in einem separaten Mischer, insbesondere einem Innenmischer, vorgemischt ist.
Extrusions-Fördervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mischung als thermoplatisches Elastomer erstellt wird, dessen Komponenten von mindestens einem Tochterförderer zugeführt werden, insbesondere einem Doppelschneckenextruder.